量子計算機：離產業化還有多久

科技輿情分析研究所

量子計算機，有別于傳統的電子計算機，它必將是未來計算機的主流。量子計算的概念最早由美國物理學家費曼提出，認為量子計算的能力遠遠超出我們的想象力，甚至算是“超能力”。與傳統的電子計算機不同的是，傳統的計算機的內部由電子元器件組成，所以它的運算存在天花板，但量子本身就是一個量子系統，由多個處于量子狀態的粒子組成。用量子計算機模擬量子系統的過程，其實就是用量子系統去模擬另一個量子系統，其運算能力在理論上是沒有上限的。

目前谷歌、IBM、英特爾等世界級的科技巨頭都紛紛投身到量子計算機研發制造的行列之中來。在超導量子計算方面，我國的中科院量子信息和量子科技創新研究院、Google量子人工智能實驗室、IBM被稱為全球頂尖量子科技研發制造機構！

中國首款量子計算機上線發力

9月12日，本源量子公司發布了中國第一款量子計算機“悟源”，使用的核心硬件是6個量子比特的夸父芯片。

9月16日，IBM首次公布了其量子計算硬件的未來路線圖。目前該公司的量子處理器最高是65個量子比特，2021年計劃推出127個量子比特，2022年計劃推出433個量子比特，到2023年底爭取打造出超過1000個量子比特的芯片。

兩相對比，中國雖然明顯落后，但總歸是邁出了量子實用化的第一步。

2019年10月，谷歌發布了一款53量子比特的處理器，只用了短短200秒，就完成了經典計算機需要10000年才能完成的計算量。

當時，谷歌宣稱，基于自身的技術積累，谷歌已經建立了“量子霸權”。

一個300位大數，利用萬億次經典計算機分解，需要花費15萬年，而同等級別的量子計算機只需要1秒。

此前，瑞典皇家理工學院的MartinEkera和Google的CraigGidney利用量子計算機，在8小時內就破解了世界上最安全的加密算法RSA-2048。

此事也就說明，在量子計算機強大的算力面前，任何密碼都將形同虛設。

2016年，IBM推出第一款量子計算云平臺；2019年，亞馬遜、微軟也相繼推出了量子計算云平臺。

目前，世界上最先進的量子計算機是IBM的65個量子比特。此前，世界上真正能跟IBM掰掰手腕的量子計算云平臺，只有5家，但中國一家都沒有。

正是面對這種“量子霸權”，中國開始發力，或者說本源量子公司開始發力了。

本源量子公司成立于2017年，由中科大中科院量子信息重點實驗室的郭光燦院士和郭國平牽頭成立，旨在網羅量子計算領域人才，將量子計算推向產業化。

正是因為這股時不我待的緊迫感，本源量子只用3年就推出了中國首款量子計算機。

為了避免重蹈華為覆轍，量子計算機“悟源”的國產化程度非常高，目前唯一的“舶來品”就是外層制冷機，量子芯片需要借此在接近零度的低溫環境下工作。這項技術目前只被國外幾家公司壟斷，但國內的相關企業正在加緊研發，相信最早在明年即可實現完全國產化。

截至2019年底，本源量子已經獲得了400多項專利，在全球量子計算發明排行榜上位列第12位。而本源量子也宣布：“2021年底，將會推出60比特的超導量子計算機。”

如此，我們中國人也可以在人類量子計算歷史上，寫下濃墨重彩的一筆。

量子計算機落地應用挑戰多

進步得益于近年來量子計算工程化的推進。當前，幾乎所有發達國家都把量子計算當作未來技術制高點，國內外知名的IT公司紛紛涉足量子計算。全球量子計算創業公司超過百家，2019年是量子計算發展高光的一年。量子計算機前景遠大，但落地應用長路漫漫。

“研發量子計算機，首先要足夠多的量子比特。”騰訊量子實驗室高級研究員鄭亞銳解釋。理論上，自然界中一切有量子效應的載體都可用作量子比特。鄭亞銳說，一般認為量子比特數量要達到100萬個，量子計算機才能走向實用。可當下，工業界還沒有實現控制100個量子比特。

穩定性是量子計算機落地應用的另一個重要指標，這就要求較長的相干時間，以及非常高的保真度。提高比特數量的同時，又不降低保真度是學術界聚焦的難題。

經過長期探索，科學家發現超導、離子阱、超冷原子、半導體量子點都能夠用于開發量子計算機。這些不同的體系，造就了量子計算機不同的技術實現路線。“每一個體系都有優缺點。”本源量子副總裁張輝說，半導體量子點路線操控方便，但相干時間很短；光學或者離子阱路線，相干時間長，但可擴展性相對差。

目前，多數開發者選擇的是超導和半導體兩條路線，兩者的工程化、工藝化也推進較快。開發者希望借助先進的半導體、集成電路工藝，在推進量子計算機研發之時，還為未來量子計算機與經典計算機的潛在融合埋下伏筆。

清華大學量子信息中心終身副教授金奇奐介紹說，近年來，學界對離子阱路線的基礎研究很多，但直到最近幾年，才開始有公司大規模開展離子阱量子計算機的研發。軍事科學院國防科技創新研究院研究員強曉剛認為，集成光量子芯片技術，是實現大規模可實用化光量子計算系統的重要途徑。

從電子管到晶體管，再到集成電路，隨著材料和工藝的迭代，經典計算機性能不斷提升。“以此類比，量子計算還處在‘電子管的時代’。”張輝說，“也許某天人類突然發現一個完美材料，做出量子計算機就不再難了。”

這顯然不是一個人能夠完成的工作。鄭亞銳呼吁，目前起步階段，企業和科研院所應該破除技術壁壘，過分強調技術保護不利于量子計算機開發。

未來應用會從特定領域開始

量子計算機體積比常規計算機大數倍，并且只能進行特定領域的計算，嚴苛的低溫運行環境以及千萬美元的價格（D-Wave1500萬美元售價）使普通個人用戶無法使用量子計算機。即便是較為廉價的量子云服務，作為領先時代的技術，相比經典計算機并不能更好地滿足日常生活環境的大規模應用，量子軟件的學習成本也抬高了使用門檻。因此，個人用戶尚不具備使用量子計算機的條件。

量子計算機想要達到商用水平需要經歷三個階段，第一個階段就是研發原型機，這個階段基本上已經結束。第二階段重點在于尋找專用級的芯片，用它來解決特定行業問題。第三階段就是發展出真正通用量子計算機，外國專業人士預測2030年這個市場的估值大約是20億美元，2050年極有可能市場估值暴增百倍。

前瞻產業研究院認為，對于量子計算元年的到來仍然無法精確預測，但可以想象的是生物醫藥、化工行業將在量子元年應用市場中占據較大規模。隨著時間的推移，搜索、機器學習等市場占比將逐步擴大，成為量子計算應用領域的主流。

量子計算機目前依舊停留在實驗室階段，雖然基礎理論已基本完善，可離產業化還有很長的路要走。